基于碳量子点可饱和吸收体的掺镱光纤激光器研究

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在过去的几十年里,脉冲光纤激光器因其高峰值功率和窄脉宽等特点,在光通信、生物医疗、机械精密加工等重大领域具有独特的应用价值。使用可饱和吸收体(Saturable absorber,SA)的被动调Q和锁模技术是获取脉冲激光的有效方法之一,具有成本效益高、光损耗低、易于集成等优点。常见的SA材料包括半导体可饱和吸收镜(Semiconductor saturable absorption mirrors,SESAMs)、有机染料和低维材料(如碳纳米管、石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物和拓扑绝缘体)。它们具有优异的电学和光学性质,包括量子霍尔效应、高载流子迁移率和非线性光学效应等。然而,这些SA材料也存在缺点,如高插入损耗、低调制深度、低饱和深度、低损伤阈值、环境稳定性差等。由此可见,探索具有优异非线性光学参数、稳定性好、成本低、高损伤阈值的SA材料极具意义。本论文以具有均匀孔道结构的沸石分子筛为模板制备了碳量子点(Carbon quantum dots,C-dots),经实验测试发现C-dots具有良好的非线性可饱和吸收特性。制备的C-dots可以作为SA来实现1μm波段脉冲激光的输出,是一种具有商业化应用前景的低维材料。本论文的主要工作如下:1、首先介绍了光纤激光器的发展与应用,从脉冲产生机制出发,分析了调Q和锁模技术,着重介绍了基于SA的被动调Q和锁模原理,为全光纤脉冲光纤激光器的实验提供了理论依据。论述了低维材料SA的发展与分类,详细介绍了低维材料SA的研究现状。2、以沸石分子筛为模板制备了C-dots。采用晶化时间为40 h,晶化温度为180℃,二丙胺(Dipropylamine,DPA)为模板剂,凝胶组分摩尔比为0.6 Si O2:1.0 Al2O3:1.2 P2O5:3.1 DPA:600 H2O:1.6 HF,水热法生长了SAPO-46(AFS)沸石分子筛。经SEM表征,AFS晶体具有六棱柱形貌,平均尺寸为100μm。利用有机胺DPA作为碳源,通过碳化AFS晶体和去除AFS晶体模板的方法来获取C-dots。经TEM和拉曼光谱表征,得出C-dots的尺寸分布在1.5 nm-4nm的范围内,晶格间距为0.21 nm,C-dots含有类石墨烯结构。采用平衡双探测器系统进行测试,发现C-dots具有可饱和吸收特性,其在1μm波段的调制深度为21.8%,饱和吸收强度为4.7 MW/cm~2。3、利用C-dots作为SA实现了1μm波段脉冲激光输出。在78 m W-181m W的泵浦功率范围内,获得稳定运行的锁模脉冲输出。锁模脉冲输出光谱的中心波长为1043.9 nm,脉宽为715 ps,重复频率为19.6 MHz,对应的脉冲周期为51 ns,信噪比高达73 d B。激光器泵浦斜率效率为5.5%。在同一谐振腔,通过调节泵浦功率和偏振控制器,也可获得调Q脉冲。在60 m W-120 m W的泵浦功率范围内,调Q脉冲的重复频率为37.42 k Hz-56.87 k Hz。在泵浦功率为80 m W时,调Q脉冲输出光谱的中心波长为1035.8 nm,对应的脉冲持续时间为2.2μs。激光器的泵浦斜率效率为1.2%。沸石基C-dots是优良的SA材料。
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